Ojo que hay muchas letras.

En Rusia está previsto crear un prototipo de vuelo de una nave espacial con un sistema de propulsión nuclear (NPP) para 2025. El trabajo correspondiente está incluido en el borrador del Programa Espacial Federal para 2016-2025 (FKP-25), enviado por Roscosmos para su aprobación a los ministerios.

Los sistemas de energía nuclear se consideran las principales fuentes de energía prometedoras en el espacio a la hora de planificar expediciones interplanetarias a gran escala. En el futuro, la central nuclear que está construyendo actualmente la empresa Rosatom podrá suministrar megavatios de potencia al espacio.

Todos los trabajos para la creación de una central nuclear avanzan según los plazos previstos. Podemos decir con un alto grado de confianza que el trabajo se completará a tiempo. programa objetivo, afirma Andrey Ivanov, director de proyectos del departamento de comunicaciones de la corporación estatal Rosatom.

Para últimamente En el marco del proyecto, se completaron dos etapas importantes: se creó un diseño único del elemento combustible, que garantiza la operatividad en altas temperaturas, grandes gradientes de temperatura, altas dosis de radiación. También se han completado con éxito las pruebas tecnológicas de la vasija del reactor de la futura unidad de energía espacial. Como parte de estas pruebas, la carcasa se sometió a sobrepresión y se tomaron mediciones 3D en las áreas de metal base, soldadura circunferencial y transición cónica.

Principio de funcionamiento. Historia de la creación.

No existen dificultades fundamentales con un reactor nuclear para aplicaciones espaciales. En el período de 1962 a 1993, nuestro país acumuló una gran experiencia en la producción de instalaciones similares. En Estados Unidos se llevó a cabo un trabajo similar. Desde principios de la década de 1960, se han desarrollado en el mundo varios tipos de motores de propulsión eléctrica: iones, plasma estacionario, motor de capa anódica, motor de plasma pulsado, magnetoplasma, magnetoplasmodinámico.

Trabajo de creación motores nucleares Los proyectos para naves espaciales se llevaron a cabo activamente en la URSS y en los Estados Unidos durante el siglo pasado: los estadounidenses cerraron el proyecto en 1994, la URSS en 1988. El cierre de la obra se vio facilitado en gran medida por el desastre de Chernobyl, que afectó negativamente a la opinión pública sobre el uso de la energía nuclear. Además, las pruebas de instalaciones nucleares en el espacio no siempre se desarrollaron según lo planeado: en 1978, el satélite soviético Kosmos-954 entró en la atmósfera y se desintegró, esparciendo miles de fragmentos radiactivos en un área de 100 mil metros cuadrados. km en el noroeste de Canadá. unión soviética pagó a Canadá una compensación monetaria por un monto de más de 10 millones de dólares.

En mayo de 1988, dos organizaciones, la Federación de Científicos Estadounidenses y el Comité de Científicos Soviéticos por la Paz contra la Amenaza Nuclear, hicieron una propuesta conjunta para prohibir el uso de energía nuclear en el espacio. Esa propuesta no tuvo consecuencias formales, pero desde entonces ningún país ha lanzado naves espaciales con plantas de energía nuclear a bordo.

Las grandes ventajas del proyecto son características operativas prácticamente importantes: una larga vida útil (10 años de funcionamiento), un intervalo de revisión significativo y un largo tiempo de funcionamiento de un interruptor.

En 2010 se formularon propuestas técnicas para el proyecto. El diseño comenzó este año.

Una central nuclear contiene tres dispositivos principales: 1) una instalación de reactor con fluido de trabajo y dispositivos auxiliares (intercambiador-recuperador de calor y turbogenerador-compresor); 2) sistema de propulsión de cohetes eléctricos; 3) refrigerador-emisor.

Reactor.

Desde un punto de vista físico, se trata de un reactor compacto de neutrones rápidos refrigerado por gas.
El combustible utilizado es un compuesto (dióxido o carbonitruro) de uranio, pero como el diseño debe ser muy compacto, el uranio tiene un enriquecimiento en el isótopo 235 mayor que el de las barras de combustible de las centrales nucleares convencionales (civiles), quizás por encima del 20%. Y su caparazón es una aleación monocristalina de metales refractarios a base de molibdeno.

Este combustible tendrá que funcionar a temperaturas muy altas. Por lo tanto, fue necesario elegir materiales que pudieran contener factores negativos, asociado con la temperatura, y al mismo tiempo permitir que el combustible realice su función principal: calentar el gas refrigerante, con la ayuda del cual se producirá electricidad.

Refrigerador.

La refrigeración del gas durante el funcionamiento de una instalación nuclear es absolutamente necesaria. Cómo verter calor en espacio exterior? La única posibilidad es el enfriamiento por radiación. La superficie calentada en el vacío se enfría y emite ondas electromagnéticas en un amplio rango, incluida la luz visible. La singularidad del proyecto es el uso de un refrigerante especial: una mezcla de helio y xenón. La instalación garantiza una alta eficiencia.

Motor.

El principio de funcionamiento del motor de iones es el siguiente. En la cámara de descarga de gas se crea plasma enrarecido mediante ánodos y un bloque catódico situado en un campo magnético. Desde allí, los iones del fluido de trabajo (xenón u otra sustancia) son "extraídos" por el electrodo de emisión y acelerados en el espacio entre este y el electrodo de aceleración.

Para implementar el plan, se prometieron 17 mil millones de rublos entre 2010 y 2018. De estos fondos, 7,245 mil millones de rublos estaban destinados a la corporación estatal Rosatom para la construcción del propio reactor. Otros 3.955 millones - FSUE "Keldysh Center" para la creación de una planta de propulsión de energía nuclear. Otros 5,8 mil millones de rublos se destinarán a RSC Energia, donde en el mismo plazo deberá formarse el aspecto funcional de todo el módulo de transporte y energía.

Según lo previsto, a finales de 2017 estará preparado un sistema de propulsión nuclear para completar el módulo de transporte y energía (módulo de transferencia interplanetaria). A finales de 2018 la central nuclear estará preparada para las pruebas de vuelo. El proyecto se financia con cargo al presupuesto federal.

No es ningún secreto que los trabajos para la creación de motores de cohetes nucleares comenzaron en Estados Unidos y la URSS allá por los años 60 del siglo pasado. ¿Hasta dónde han llegado? ¿Y qué problemas encontraste en el camino?

Anatoly Koroteev: De hecho, los trabajos sobre el uso de la energía nuclear en el espacio comenzaron y se llevaron a cabo activamente aquí y en los Estados Unidos en los años 1960-1970.

Inicialmente, la tarea era crear motores de cohetes que, en lugar de la energía química de la combustión del combustible y el oxidante, utilizaran el calentamiento del hidrógeno a una temperatura de aproximadamente 3.000 grados. Pero resultó que un camino tan directo todavía era ineficaz. Recibimos un gran empuje durante un breve período de tiempo, pero al mismo tiempo emitimos un chorro que, en caso de un funcionamiento anormal del reactor, puede resultar radiactivamente contaminado.

Se acumuló algo de experiencia, pero ni nosotros ni los estadounidenses pudimos crear motores fiables. Funcionaron, pero no mucho, porque calentar hidrógeno a 3000 grados en un reactor nuclear es una tarea seria. Además, durante las pruebas en tierra de estos motores surgieron problemas medioambientales, ya que se liberaron chorros radiactivos a la atmósfera. Ya no es un secreto que tales trabajos se llevaron a cabo en el polígono de Semipalatinsk, especialmente preparado para pruebas nucleares, que permaneció en Kazajstán.

Es decir, dos parámetros resultaron críticos: ¿temperaturas extremas y emisiones de radiación?

Anatoly Koroteev: En general, sí. Por estas y otras razones, el trabajo en nuestro país y en los EE. UU. fue detenido o suspendido; esto se puede evaluar de diferentes maneras. Y no nos pareció razonable reanudarlos de una manera tan, diría yo, frontal, para fabricar un motor nuclear con todas las deficiencias ya mencionadas. Propusimos un enfoque completamente diferente. Se diferencia del antiguo de la misma manera que un coche híbrido se diferencia de uno normal. En un automóvil normal, el motor hace girar las ruedas, pero en los automóviles híbridos, la electricidad se genera a partir del motor y esta electricidad hace girar las ruedas. Es decir, se está creando una especie de central eléctrica intermedia.

Por eso propusimos un esquema en el que el reactor espacial no calienta el chorro expulsado, sino que genera electricidad. El gas caliente del reactor hace girar la turbina, la turbina hace girar el generador eléctrico y el compresor, que hace circular el fluido de trabajo en un circuito cerrado. El generador produce electricidad para el motor de plasma con un empuje específico 20 veces mayor que el de sus análogos químicos.

Esquema complicado. En esencia, se trata de una minicentral nuclear en el espacio. ¿Y cuáles son sus ventajas sobre un motor nuclear estatorreactor?

Anatoly Koroteev: Lo principal es que el chorro que sale del nuevo motor no será radiactivo, ya que a través del reactor pasa un fluido de trabajo completamente diferente, que está contenido en un circuito cerrado.

Además, con este esquema no necesitamos calentar el hidrógeno a valores prohibitivos: en el reactor circula un fluido de trabajo inerte, que se calienta hasta 1500 grados. Nos estamos poniendo las cosas realmente fáciles. Y como resultado, aumentaremos el empuje específico no dos veces, sino 20 veces en comparación con los motores químicos.

Otra cosa también es importante: no son necesarias pruebas complejas a gran escala, que requieren la infraestructura del antiguo polígono de pruebas de Semipalatinsk, en particular, la base del banco de pruebas que permanece en la ciudad de Kurchatov.

En nuestro caso, todas las pruebas necesarias pueden realizarse en territorio ruso, sin verse arrastrados a largas negociaciones internacionales sobre el uso de la energía nuclear fuera de las fronteras del propio Estado.

¿Se están realizando trabajos similares actualmente en otros países?

Anatoly Koroteev: Tuve una reunión con el subdirector de la NASA, discutimos cuestiones relacionadas con el regreso a trabajar en energía nuclear en el espacio y dijo que los estadounidenses están mostrando un gran interés en esto.

Es muy posible que China responda con acciones activas de su parte, por lo que debemos trabajar rápidamente. Y no sólo por estar medio paso por delante de alguien.

En primer lugar, debemos trabajar con rapidez para lucir decentemente en la cooperación internacional que está surgiendo y que de facto se está formando.

No descarto que en un futuro próximo pueda iniciarse un programa internacional para una central nuclear espacial, similar al programa de fusión termonuclear controlada que se está aplicando actualmente.

Sergeev Alexey, 9º grado “A”, Institución Educativa Municipal “Escuela Secundaria No. 84”

Consultor científico: , Director adjunto de la asociación sin fines de lucro para actividades científicas e innovadoras "Tomsk Atomic Center"

Director: , profesor de física, Institución Educativa Municipal “Escuela Secundaria No. 84” CATO Seversk

Introducción

Los sistemas de propulsión a bordo de una nave espacial están diseñados para generar empuje o impulso. Según el tipo de empuje utilizado, el sistema de propulsión se divide en químico (CHRD) y no químico (NCRD). Los CRD se dividen en motores de propulsor líquido (LPRE), motores de cohetes de propulsor sólido (motores de propulsor sólido) y motores de cohetes combinados (RCR). A su vez, los sistemas de propulsión no químicos se dividen en nucleares (NRE) y eléctricos (EP). El gran científico Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky creó hace un siglo el primer modelo de sistema de propulsión que funcionaba con combustible sólido y líquido. Posteriormente, en la segunda mitad del siglo XX, se realizaron miles de vuelos utilizando principalmente motores de propulsión líquida y motores de cohetes de propulsión sólida.

Sin embargo, en la actualidad, para vuelos a otros planetas, por no hablar de las estrellas, el uso de motores de cohetes de propulsor líquido y motores de cohetes de propulsor sólido es cada vez menos rentable, aunque se han desarrollado muchos motores de cohetes. Lo más probable es que las capacidades de los motores de cohetes de propulsante líquido y de los motores de cohetes de propulsor sólido se hayan agotado por completo. La razón es que el impulso específico de todos los propulsores químicos es bajo y no supera los 5000 m/s, lo que requiere un funcionamiento prolongado del propulsor para desarrollar velocidades suficientemente altas y, en consecuencia, grandes reservas de combustible o, como es habitual, en astronáutica, lo necesario valores grandes Número de Tsiolkovsky, es decir, la relación entre la masa de un cohete cargado y la masa de uno vacío. Así, el vehículo de lanzamiento Energia, que lanza 100 toneladas de carga útil a órbita baja, tiene una masa de lanzamiento de unas 3.000 toneladas, lo que da al número de Tsiolkovsky un valor de 30.

Para un vuelo a Marte, por ejemplo, el número de Tsiolkovsky debería ser aún mayor, alcanzando valores de 30 a 50. Es fácil estimar que con una carga útil de unas 1.000 toneladas, y es dentro de estos límites que la masa mínima necesario para proporcionar todo lo necesario para la tripulación que parte hacia Marte varía. Teniendo en cuenta el suministro de combustible para el vuelo de regreso a la Tierra, la masa inicial de la nave espacial debe ser de al menos 30.000 toneladas, lo que claramente supera el nivel de desarrollo de la astronáutica moderna. basado en el uso de motores de propulsor líquido y motores de cohetes de propulsor sólido.

Por lo tanto, para que las tripulaciones tripuladas puedan llegar incluso a los planetas más cercanos, es necesario desarrollar vehículos de lanzamiento con motores que funcionen con principios distintos a la propulsión química. Los más prometedores a este respecto son los motores a reacción eléctricos (EPE), los motores de cohetes termoquímicos y los motores a reacción nucleares (NRE).

1.Conceptos básicos

Un motor de cohete es un motor a reacción que no utiliza el medio ambiente (aire, agua) para su funcionamiento. Los motores de cohetes químicos son los más utilizados. Se están desarrollando y probando otros tipos de motores de cohetes: eléctricos, nucleares y otros. Los motores de cohetes más simples que funcionan con gases comprimidos también se utilizan ampliamente en estaciones y vehículos espaciales. Normalmente, utilizan nitrógeno como fluido de trabajo. /1/

Clasificación de sistemas de propulsión.

2. Propósito de los motores de cohetes

Según su finalidad, los motores de cohetes se dividen en varios tipos principales: aceleración (arranque), frenado, propulsión, control y otros. Los motores de cohetes se utilizan principalmente en cohetes (de ahí el nombre). Además, los motores de cohetes se utilizan a veces en la aviación. Los motores de cohetes son los principales motores de la astronáutica.

Los misiles militares (de combate) suelen tener motores de propulsor sólido. Esto se debe al hecho de que dicho motor se reabastece de combustible en la fábrica y no requiere mantenimiento durante todo el almacenamiento y la vida útil del cohete. Los motores de propulsor sólido se utilizan a menudo como propulsores de cohetes espaciales. Se utilizan especialmente en esta capacidad en EE. UU., Francia, Japón y China.

Los motores de cohetes líquidos tienen características de empuje más altas que los motores de cohetes sólidos. Por tanto, se utilizan para poner en órbita alrededor de la Tierra cohetes espaciales y para vuelos interplanetarios. Los principales propulsores líquidos para cohetes son el queroseno, el heptano (dimetilhidrazina) y el hidrógeno líquido. Para este tipo de combustible, se requiere un oxidante (oxígeno). El ácido nítrico y el oxígeno licuado se utilizan como oxidantes en estos motores. El ácido nítrico es inferior al oxígeno licuado en propiedades oxidantes, pero no requiere mantenimiento especial régimen de temperatura durante el almacenamiento, reabastecimiento de combustible y uso de misiles

Los motores para vuelos espaciales se diferencian de los de la Tierra en que deben producir la mayor cantidad de energía posible con la menor masa y volumen posibles. Además, están sujetos a requisitos tales como una eficiencia y confiabilidad excepcionalmente altas y un tiempo de funcionamiento significativo. Según el tipo de energía utilizada, los sistemas de propulsión de naves espaciales se dividen en cuatro tipos: termoquímico, nuclear, eléctrico y de vela solar. Cada uno de los tipos enumerados tiene sus propias ventajas y desventajas y puede utilizarse en determinadas condiciones.

Actualmente, las naves espaciales, las estaciones orbitales y los satélites terrestres no tripulados se lanzan al espacio mediante cohetes equipados con potentes motores termoquímicos. También hay motores en miniatura de bajo empuje. Esta es una copia más pequeña de motores potentes. Algunos de ellos pueden caber en la palma de tu mano. La fuerza de empuje de estos motores es muy pequeña, pero suficiente para controlar la posición de la nave en el espacio.

3.Motores de cohetes termoquímicos.

Se sabe que en un motor de combustión interna, el horno de una caldera de vapor (dondequiera que se produzca la combustión, la mayor parte participación activa Acepta oxígeno atmosférico. No hay aire en el espacio exterior y, para que los motores de cohetes funcionen en el espacio exterior, es necesario tener dos componentes: combustible y oxidante.

Los motores de cohetes termoquímicos líquidos utilizan alcohol, queroseno, gasolina, anilina, hidracina, dimetilhidrazina e hidrógeno líquido como combustible. Como agentes oxidantes se utilizan oxígeno líquido, peróxido de hidrógeno y ácido nítrico. Quizás en el futuro se utilice flúor líquido como agente oxidante cuando se inventen métodos para almacenar y utilizar una sustancia química tan activa.

El combustible y el oxidante para motores a reacción líquidos se almacenan por separado en tanques especiales y se suministran a la cámara de combustión mediante bombas. Cuando se combinan en la cámara de combustión, las temperaturas alcanzan los 3000 – 4500 °C.

Los productos de la combustión, al expandirse, adquieren velocidades de 2500 a 4500 m/s. Al salir del cuerpo del motor, crean un empuje a reacción. Al mismo tiempo, cuanto mayor es la masa y la velocidad del flujo de gas, mayor es el empuje del motor.

El empuje específico de los motores generalmente se estima por la cantidad de empuje creado por unidad de masa de combustible quemada en un segundo. Esta cantidad se llama impulso específico de un motor de cohete y se mide en segundos (kg de empuje / kg de combustible quemado por segundo). Los mejores motores de cohetes de combustible sólido tienen un impulso específico de hasta 190 s, es decir, 1 kg de combustible quemado en un segundo crea un empuje de 190 kg. Un motor de cohete de hidrógeno-oxígeno tiene un impulso específico de 350 s. En teoría, un motor de hidrógeno y flúor puede desarrollar un impulso específico de más de 400 s.

El circuito de motor de cohete líquido comúnmente utilizado funciona de la siguiente manera. El gas comprimido crea la presión necesaria en los tanques con combustible criogénico para evitar la aparición de burbujas de gas en las tuberías. Las bombas suministran combustible a los motores de cohetes. El combustible se inyecta en la cámara de combustión a través de una gran cantidad de inyectores. También se inyecta un oxidante en la cámara de combustión a través de las boquillas.

En cualquier automóvil, cuando se quema combustible, se forman grandes flujos de calor que calientan las paredes del motor. Si no enfría las paredes de la cámara, se quemará rápidamente, sin importar de qué material esté hecha. Un motor a reacción líquido normalmente se enfría mediante uno de los componentes del combustible. Para ello, la cámara está formada por dos paredes. El componente frío del combustible fluye por el espacio entre las paredes.

Aluminio" href="/text/category/alyuminij/" rel="bookmark">aluminio, etc. Especialmente como aditivo para combustibles convencionales, como hidrógeno-oxígeno. Estas “composiciones ternarias” pueden proporcionar la velocidad más alta posible para productos químicos. agotamiento de los combustibles: hasta 5 km/s. Pero esto es prácticamente el límite de los recursos de la química. Prácticamente no se puede hacer más. Aunque en la descripción propuesta todavía predominan los motores de cohetes líquidos, hay que decir que son los primeros en la historia. La humanidad creó un motor de cohete termoquímico que utiliza combustible sólido. El motor de cohete de combustible sólido, por ejemplo, pólvora especial, está ubicado directamente en la cámara de combustión con una boquilla de chorro que se llena de combustible sólido: ese es el diseño completo. El modo de combustión del propulsor sólido depende del propósito del motor del cohete de propulsor sólido (de lanzamiento, de sustentación o combinado). Los asuntos militares se caracterizan por la presencia de motores de lanzamiento y propulsión. El motor del cohete de propulsor sólido de lanzamiento desarrolla un alto empuje durante un tiempo muy corto. tiempo necesario para que el misil abandone el lanzador y para su aceleración inicial. El motor de cohete sustentador de propulsor sólido está diseñado para mantener una velocidad de vuelo constante del cohete en la sección principal (propulsión) de la trayectoria de vuelo. Las diferencias entre ellos radican principalmente en el diseño de la cámara de combustión y el perfil de la superficie de combustión de la carga de combustible, que determinan la velocidad de combustión del combustible, de la que dependen el tiempo de funcionamiento y el empuje del motor. A diferencia de estos cohetes, los vehículos de lanzamiento espacial para lanzar satélites terrestres, estaciones orbitales y naves espaciales, así como estaciones interplanetarias, funcionan únicamente en el modo de lanzamiento desde el lanzamiento del cohete hasta que el objeto se pone en órbita alrededor de la Tierra o en una trayectoria interplanetaria. En general, los motores de cohetes de propulsor sólido no tienen muchas ventajas sobre los motores de combustible líquido: son fáciles de fabricar, pueden almacenarse durante mucho tiempo, siempre están listos para funcionar y son relativamente a prueba de explosiones. Pero en términos de empuje específico, los motores de combustible sólido son inferiores en un 10-30% a los motores líquidos.

4. Motores de cohetes eléctricos

Casi todos los motores de cohetes mencionados anteriormente desarrollan un enorme empuje y están diseñados para lanzar naves espaciales a la órbita alrededor de la Tierra y acelerarlas a velocidades cósmicas para vuelos interplanetarios. Una cuestión completamente diferente son los sistemas de propulsión de naves espaciales que ya se han puesto en órbita o en trayectoria interplanetaria. Aquí, por regla general, necesitamos motores de baja potencia (varios kilovatios o incluso vatios) capaces de funcionar durante cientos y miles de horas y encenderse y apagarse repetidamente. Le permiten mantener el vuelo en órbita o a lo largo de una trayectoria determinada, compensando la resistencia de vuelo creada. capas superiores atmósfera y viento solar. En los motores de cohetes eléctricos, el fluido de trabajo se acelera hasta una determinada velocidad calentándolo con energía eléctrica. La electricidad proviene de paneles solares o de una central nuclear. Los métodos para calentar el fluido de trabajo son diferentes, pero en realidad se utiliza principalmente el arco eléctrico. Ha demostrado ser muy fiable y puede soportar un gran número de arranques. El hidrógeno se utiliza como fluido de trabajo en motores de arco eléctrico. Mediante un arco eléctrico, el hidrógeno se calienta a una temperatura muy alta y se convierte en plasma, una mezcla eléctricamente neutra de iones positivos y electrones. La velocidad de salida del plasma del motor alcanza los 20 km/s. Cuando los científicos resuelvan el problema del aislamiento magnético del plasma de las paredes de la cámara del motor, será posible aumentar significativamente la temperatura del plasma y aumentar la velocidad de escape a 100 km/s. El primer motor de cohete eléctrico se desarrolló en la Unión Soviética hace años. bajo la dirección (más tarde se convirtió en el creador de motores para cohetes espaciales soviéticos y en un académico) en el famoso Laboratorio de Dinámica de Gases (GDL)./10/

5.Otros tipos de motores

También existen diseños más exóticos para motores de cohetes nucleares, en los que el material fisible se encuentra en estado líquido, gaseoso o incluso plasma, pero la implementación de tales diseños con el nivel actual de tecnología y tecnología no es realista. Existen los siguientes proyectos de motores de cohetes, aún en fase teórica o de laboratorio:

Motores de cohetes nucleares de impulsos que utilizan la energía de explosiones de pequeñas cargas nucleares;

Motores de cohetes termonucleares, que pueden utilizar un isótopo de hidrógeno como combustible. La productividad energética del hidrógeno en tal reacción es 6,8 * 1011 KJ/kg, es decir, aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la productividad de las reacciones de fisión nuclear;

Motores de vela solar, que utilizan la presión de la luz solar (viento solar), cuya existencia fue probada empíricamente por un físico ruso en 1899. Según los cálculos, los científicos han establecido que un aparato que pesa 1 tonelada, equipado con una vela de 500 m de diámetro, puede volar de la Tierra a Marte en unos 300 días. Sin embargo, la eficiencia de una vela solar disminuye rápidamente con la distancia al Sol.

6.Motores de cohetes nucleares

Una de las principales desventajas de los motores de cohetes de combustible líquido está relacionada con velocidad limitada fuga de gases. En los motores de cohetes nucleares, parece posible utilizar la colosal energía liberada durante la descomposición del "combustible" nuclear para calentar la sustancia de trabajo. El principio de funcionamiento de los motores de cohetes nucleares casi no difiere del principio de funcionamiento de los motores termoquímicos. La diferencia es que el fluido de trabajo no se calienta debido a su propia energía química, sino a la energía "extraña" liberada durante una reacción intranuclear. El fluido de trabajo pasa a través de un reactor nuclear, en el que se produce la reacción de fisión de los núcleos atómicos (por ejemplo, uranio), y se calienta. Los motores de cohetes nucleares eliminan la necesidad de un oxidante y, por lo tanto, solo pueden usar un líquido. Como fluido de trabajo es recomendable utilizar sustancias que permitan al motor desarrollar una mayor fuerza de tracción. Esta condición la cumple mejor el hidrógeno, seguido del amoníaco, la hidracina y el agua. Los procesos en los que se libera energía nuclear se dividen en transformaciones radiactivas, reacciones de fisión de núcleos pesados ​​y reacciones de fusión de núcleos ligeros. Las transformaciones de radioisótopos se realizan en las llamadas fuentes de energía isotópicas. La energía masiva específica (la energía que puede liberar una sustancia que pesa 1 kg) de los isótopos radiactivos artificiales es significativamente mayor que la de los combustibles químicos. Así, para el 210Po es igual a 5*10 8 KJ/kg, mientras que para el combustible químico más eficiente energéticamente (berilio con oxígeno) este valor no supera los 3*10 4 KJ/kg. Desafortunadamente, todavía no es racional utilizar este tipo de motores en vehículos de lanzamiento espacial. La razón de esto es el alto costo de la sustancia isotópica y las dificultades operativas. Después de todo, el isótopo libera energía constantemente, incluso cuando se transporta en un contenedor especial y cuando el cohete está estacionado en el lugar de lanzamiento. Los reactores nucleares utilizan combustible más eficiente desde el punto de vista energético. Por tanto, la energía de masa específica del 235U (el isótopo fisionable del uranio) es igual a 6,75 * 10 9 KJ/kg, es decir, aproximadamente un orden de magnitud mayor que la del isótopo 210Po. Estos motores se pueden “encender” y “apagar”; el combustible nuclear (233U, 235U, 238U, 239Pu) es mucho más barato que el combustible isotópico. En tales motores, no solo se puede usar agua como fluido de trabajo, sino también sustancias de trabajo más eficientes: alcohol, amoníaco e hidrógeno líquido. El empuje específico de un motor de hidrógeno líquido es de 900 s. En el diseño más simple de un motor de cohete nuclear con un reactor que funciona con combustible nuclear sólido, el fluido de trabajo se coloca en un tanque. La bomba lo suministra a la cámara del motor. Rociado con boquillas, el fluido de trabajo entra en contacto con el combustible nuclear que genera combustible, se calienta, se expande y es expulsado a gran velocidad a través de la boquilla. El combustible nuclear es superior en reservas de energía a cualquier otro tipo de combustible. Entonces surge una pregunta lógica: ¿por qué las instalaciones que utilizan este combustible todavía tienen un empuje específico relativamente bajo y gran masa? El hecho es que el empuje específico de un motor de cohete nuclear de fase sólida está limitado por la temperatura del material fisible, y la central eléctrica durante el funcionamiento emite una fuerte radiación ionizante, que tiene un efecto nocivo sobre los organismos vivos. La protección biológica contra dicha radiación es muy importante y no es aplicable en naves espaciales. Desarrollos prácticos Los motores de cohetes nucleares que utilizan combustible nuclear sólido se pusieron en marcha a mediados de los años 50 del siglo XX en la Unión Soviética y Estados Unidos, casi simultáneamente con la construcción de las primeras centrales nucleares. El trabajo se llevó a cabo en una atmósfera de elevado secretismo, pero se sabe que aplicación real En astronáutica, estos motores de cohetes aún no se han utilizado. Hasta ahora todo se ha limitado al uso de fuentes isotópicas de electricidad de potencia relativamente baja en satélites terrestres artificiales no tripulados, naves espaciales interplanetarias y el mundialmente famoso "rover lunar" soviético.

7.Motores a reacción nucleares, principios de funcionamiento, métodos de obtención de impulso en un motor de propulsión nuclear.

Los motores de cohetes nucleares deben su nombre a que crean empuje mediante el uso de energía nuclear, es decir, la energía que se libera como resultado de reacciones nucleares. En un sentido general, estas reacciones significan cualquier cambio en el estado energético de los núcleos atómicos, así como las transformaciones de unos núcleos en otros, asociadas con una reestructuración de la estructura de los núcleos o un cambio en el número de partículas elementales contenidas en ellos. nucleones. Además, las reacciones nucleares, como se sabe, pueden ocurrir de forma espontánea (es decir, espontáneamente) o provocadas artificialmente, por ejemplo, cuando algunos núcleos son bombardeados por otros (o partículas elementales). Las reacciones de fisión y fusión nucleares superan en magnitud energética reacciones quimicas millones y decenas de millones de veces, respectivamente. Esto se explica por el hecho de que la energía de enlace químico de los átomos en las moléculas es muchas veces menor que la energía de enlace nuclear de los nucleones en el núcleo. La energía nuclear en los motores de cohetes se puede utilizar de dos formas:

1. La energía liberada se utiliza para calentar el fluido de trabajo, que luego se expande en la boquilla, como en un motor de cohete convencional.

2. La energía nuclear se convierte en energía eléctrica y luego se utiliza para ionizar y acelerar partículas del fluido de trabajo.

3. Finalmente, el impulso lo crean los propios productos de fisión formados en el proceso (por ejemplo, metales refractarios: tungsteno, molibdeno) que se utilizan para impartir propiedades especiales a las sustancias fisionables.

Los elementos combustibles de un reactor de fase sólida están llenos de canales a través de los cuales fluye el fluido de trabajo del motor de propulsión nuclear, calentándose gradualmente. Los canales tienen un diámetro de aproximadamente 1-3 mm y su área total es del 20-30% de la sección transversal de la zona activa. El núcleo está suspendido por una rejilla especial dentro de la vasija de energía para que pueda expandirse cuando el reactor se calienta (de lo contrario, colapsaría debido a las tensiones térmicas).

El núcleo experimenta altas cargas mecánicas asociadas con importantes caídas de presión hidráulica (hasta varias decenas de atmósferas) debido al fluido de trabajo que fluye, tensiones térmicas y vibraciones. El aumento del tamaño de la zona activa cuando el reactor se calienta alcanza varios centímetros. La zona activa y el reflector están ubicados dentro de una carcasa de potencia duradera que absorbe la presión del fluido de trabajo y el empuje creado por la boquilla de chorro. El estuche se cierra con una tapa duradera. Alberga mecanismos neumáticos, de resorte o eléctricos para accionar los órganos reguladores, puntos de fijación del motor de propulsión nuclear a la nave espacial y bridas para conectar el motor de propulsión nuclear a las tuberías de suministro del fluido de trabajo. En la tapa también se puede ubicar una unidad de turbobomba.

8 - Boquilla,

9 - Boquilla de expansión,

10 - Selección de sustancia de trabajo para la turbina,

11 - Cuerpo de Poder,

12 - Tambor de control,

13 - Escape de turbina (utilizado para controlar la actitud y aumentar el empuje),

14 - Anillo impulsor para tambores de control)

A principios de 1957 se determinó la dirección final del trabajo en el Laboratorio de Los Álamos y se tomó la decisión de construir un reactor nuclear de grafito con combustible de uranio disperso en grafito. El reactor Kiwi-A, creado en esta dirección, fue probado el 1 de julio de 1959.

Motor a reacción nuclear de fase sólida estadounidense XE primer en un banco de pruebas (1968)

Además de la construcción del reactor, el Laboratorio de Los Álamos estaba en pleno apogeo en la construcción de un sitio de pruebas especial en Nevada, y también llevó a cabo una serie de pedidos especiales de la Fuerza Aérea de los EE. UU. en áreas relacionadas (el desarrollo de unidades TURE). En nombre del Laboratorio de Los Álamos, todos los pedidos especiales para la fabricación de componentes individuales fueron realizados por las siguientes empresas: Aerojet General, la división Rocketdyne de North American Aviation. En el verano de 1958, todo el control del programa Rover fue transferido de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos a la recién organizada Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Como resultado de un acuerdo especial entre la AEC y la NASA a mediados del verano de 1960, se formó la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial bajo el liderazgo de G. Finger, que posteriormente dirigió el programa Rover.

Los resultados obtenidos de seis "pruebas en caliente" de motores a reacción nucleares fueron muy alentadores y, a principios de 1961, se preparó un informe sobre las pruebas de vuelo del reactor (RJFT). Luego, a mediados de 1961, se lanzó el proyecto Nerva (el uso de un motor nuclear para cohetes espaciales). Aerojet General fue elegido como contratista general y Westinghouse como subcontratista responsable de la construcción del reactor.

10.2 Trabajar en TURE en Rusia

American" href="/text/category/amerikanetc/" rel="bookmark">Los científicos estadounidenses y rusos utilizaron las pruebas más económicas y efectivas de elementos combustibles individuales en reactores de investigación. Toda la gama de trabajos realizados en los años 70-80 permitió a la oficina de diseño "Salyut", la Oficina de Diseño de Automática Química, IAE, NIKIET y NPO "Luch" (PNITI) desarrollar varios proyectos de motores de propulsión nuclear espacial y plantas de energía nuclear híbridas en la Oficina de Diseño de Automática Química con fines científicos. Se creó la dirección del NIITP (FEI, IAE, NIKIET, NIITVEL, NPO eran responsables de los elementos del reactor). PATIO RD 0411 y motor nuclear de tamaño mínimo RD 0410 empuje 40 y 3,6 toneladas, respectivamente.

Como resultado, se fabricaron un reactor, un motor "frío" y un prototipo de banco para realizar pruebas con gas hidrógeno. A diferencia del estadounidense, con un impulso específico de no más de 8250 m/s, el TNRE soviético, debido al uso de elementos combustibles más resistentes al calor y de diseño más avanzado y a la alta temperatura en el núcleo, tuvo esta cifra igual a 9100 m. /s y superiores. La base para probar el TURE de la expedición conjunta de NPO "Luch" se encontraba a 50 km al suroeste de la ciudad de Semipalatinsk-21. Comenzó a trabajar en 1962. En En el polígono se probaron los elementos combustibles en tamaño natural de los prototipos de motores de cohetes de propulsión nuclear. En este caso, los gases de escape entraron en el sistema de escape cerrado. El complejo del banco de pruebas Baikal-1 para pruebas de motores nucleares de tamaño real se encuentra a 65 km al sur de Semipalatinsk-21. De 1970 a 1988 se llevaron a cabo unos 30 "arranques en caliente" de reactores. Al mismo tiempo, la potencia no superó los 230 MW con un consumo de hidrógeno de hasta 16,5 kg/s y una temperatura a la salida del reactor de 3100 K. Todos los lanzamientos se realizaron con éxito, sin problemas y según lo previsto.

El TNRD RD-0410 soviético es el único motor de cohete nuclear industrial fiable y funcional del mundo.

Actualmente, dichos trabajos en el sitio se han detenido, aunque el equipo se mantiene en condiciones relativamente operativas. La base de laboratorio de NPO Luch es el único complejo experimental del mundo donde es posible probar elementos de reactores de propulsión nuclear sin grandes costos financieros y de tiempo. Es posible que la reanudación en los Estados Unidos de los trabajos sobre motores de propulsión nuclear para vuelos a la Luna y Marte en el marco del programa de la Iniciativa de Investigación Espacial con la participación prevista de especialistas de Rusia y Kazajstán conduzca a la reanudación de las actividades en la base de Semipalatinsk y la implementación de una expedición “marciana” en la década de 2020.

Características principales

Impulso específico sobre hidrógeno: 910 - 980 segundo(teóricamente hasta 1000 segundo).

· Velocidad de salida del fluido de trabajo (hidrógeno): 9100 - 9800 m/seg.

· Empuje alcanzable: hasta cientos y miles de toneladas.

· Temperaturas máximas de funcionamiento: 3000°С - 3700°С (encendido breve).

· Vida útil: hasta varios miles de horas (activación periódica). /5/

11.Dispositivo

El diseño del motor de cohete nuclear soviético de fase sólida RD-0410.

1 - línea del tanque de fluido de trabajo

2 - unidad de turbobomba

3 - control de accionamiento del tambor

4 - protección radiológica

5 - tambor regulador

6 - retardador

7 - conjunto de combustible

8 - vasija del reactor

9 - fondo de fuego

10 - línea de enfriamiento de la boquilla

11- cámara de boquilla

12 - boquilla

12.Principio de funcionamiento

Según su principio de funcionamiento, un TNRE es un reactor-intercambiador de calor de alta temperatura en el que se introduce a presión un fluido de trabajo (hidrógeno líquido) y, a medida que se calienta a altas temperaturas (superiores a 3000°C), se expulsa a través de un boquilla enfriada. La regeneración de calor en la boquilla es muy beneficiosa, ya que permite calentar el hidrógeno mucho más rápido y, al utilizar una cantidad significativa de energía térmica, el impulso específico se puede aumentar a 1000 segundos (9100-9800 m/s).

Reactor de motor de cohete nuclear

MsoNormalTable">

fluido de trabajo

Densidad, g/cm3

Empuje específico (a temperaturas especificadas en la cámara de calentamiento, °K), segundo

0,071 (líquido)

0,682 (líquido)

1.000 (líquido)

No. dann

No. dann

No. dann

(Nota: La presión en la cámara de calentamiento es de 45,7 atm, expansión a una presión de 1 atm a temperatura constante composición química fluido de trabajo) /6/

15.Beneficios

La principal ventaja de los TNRE sobre los motores de cohetes químicos es la consecución de un mayor impulso específico, importantes reservas de energía, la compacidad del sistema y la capacidad de obtener un empuje muy elevado (decenas, cientos y miles de toneladas en el vacío). El impulso específico logrado en el vacío es 3-4 veces mayor que el del combustible químico gastado para cohetes de dos componentes (queroseno-oxígeno, hidrógeno-oxígeno), y cuando se opera a la intensidad térmica más alta, 4-5 veces. Estados Unidos y Rusia tienen una experiencia significativa en el desarrollo y construcción de este tipo de motores y, si es necesario (programas especiales de exploración espacial), dichos motores se pueden producir en poco tiempo y tendrán un coste razonable en el caso de utilizar TNRE. acelerando naves espaciales en el espacio, y sujeto a esto. uso adicional Maniobras de perturbación utilizando el campo gravitacional. planetas principales(Júpiter, Urano, Saturno, Neptuno) los límites alcanzables del estudio del sistema solar se están ampliando significativamente y el tiempo necesario para llegar a planetas distantes se reduce significativamente. Además, los TNRE se pueden utilizar con éxito para dispositivos que operan en órbitas bajas de planetas gigantes utilizando su atmósfera enrarecida como fluido de trabajo, o para operar en su atmósfera. /8/

16.Desventajas

La principal desventaja del TNRE es la presencia de un potente flujo de radiación penetrante (radiación gamma, neutrones), así como la eliminación de compuestos de uranio altamente radiactivos, compuestos refractarios con radiación inducida y gases radiactivos con el fluido de trabajo. En este sentido, TURE es inaceptable para lanzamientos terrestres para evitar el deterioro de la situación medioambiental en el lugar de lanzamiento y en la atmósfera. /14/

17.Mejora de las características de TURD. Motores turbohélice híbridos

Como cualquier cohete o cualquier motor en general, un motor a reacción nuclear de fase sólida tiene limitaciones significativas en las características más importantes que se pueden lograr. Estas restricciones representan la incapacidad del dispositivo (TJRE) para operar en el rango de temperatura que excede el rango de temperaturas máximas de operación de los materiales estructurales del motor. Para ampliar las capacidades y aumentar significativamente los principales parámetros operativos del TJRE, se pueden utilizar varios esquemas híbridos en los que el TJRE desempeña el papel de fuente de calor y energía y adicional. metodos fisicos aceleración de los cuerpos de trabajo. El más confiable, prácticamente factible y con altas características específicas de impulso y empuje es un esquema híbrido con un circuito MHD adicional (circuito magnetohidrodinámico) para acelerar el fluido de trabajo ionizado (hidrógeno y aditivos especiales). /13/

18. Peligro de radiación procedente de motores de propulsión nuclear.

Un motor nuclear en funcionamiento es una poderosa fuente de radiación: radiación gamma y de neutrones. Si no se toman medidas especiales, la radiación puede causar un calentamiento inaceptable del fluido de trabajo y la estructura de una nave espacial, fragilización de los materiales estructurales metálicos, destrucción del plástico y envejecimiento de las piezas de caucho, daños al aislamiento de los cables eléctricos y fallas de los equipos electrónicos. La radiación puede provocar radiactividad inducida (artificial) de los materiales: su activación.

Actualmente, el problema de la protección radiológica de los vehículos espaciales con motores de propulsión nuclear se considera en principio resuelto. También se resolvieron las cuestiones fundamentales relacionadas con el mantenimiento de los motores de propulsión nuclear en los bancos de pruebas y en los sitios de lanzamiento. Aunque un motor nuclear en funcionamiento representa un peligro para el personal operativo, ya un día después de finalizar el funcionamiento del motor nuclear es posible sin ningún medio. proteccion personal estar en unas pocas decenas de minutos a una distancia de 50 m de la central nuclear e incluso acercarse a ella. Los medios de protección más sencillos permiten que el personal de mantenimiento acceda a la zona de trabajo del motor de propulsión nuclear poco después de la prueba.

Nivel de contaminación de los complejos de lanzamiento y ambiente, aparentemente, no será un obstáculo para el uso de motores de propulsión nuclear en las etapas inferiores de los cohetes espaciales. El problema del peligro de radiación para el medio ambiente y el personal operativo se ve mitigado en gran medida por el hecho de que el hidrógeno, utilizado como fluido de trabajo, prácticamente no se activa al pasar a través del reactor. Por lo tanto, la corriente en chorro de un motor de propulsión nuclear no es más peligrosa que la corriente en chorro de un motor de cohete de propulsión líquida./4/

Conclusión

Al considerar las perspectivas para el desarrollo y uso de motores de propulsión nuclear en astronáutica, se debe partir de las características logradas y esperadas de los diferentes tipos de motores de propulsión nuclear, de lo que su aplicación puede aportar a la astronáutica y, finalmente, de la estrecha conexión. del problema de los motores de propulsión nuclear con el problema del suministro de energía en el espacio y con las cuestiones del desarrollo energético en general.

Como se mencionó anteriormente, de todos los tipos posibles de motores de propulsión nuclear, los más desarrollados son el motor de radioisótopos térmicos y el motor con reactor de fisión en fase sólida. Pero si las características de los motores de propulsión nuclear radioisótopos no nos permiten esperar su uso generalizado en astronáutica (según al menos en un futuro próximo), entonces la creación de motores de propulsión nuclear de fase sólida abre grandes perspectivas para la astronáutica.

Por ejemplo, se ha propuesto un dispositivo con una masa inicial de 40.000 toneladas (es decir, aproximadamente 10 veces mayor que la de los mayores vehículos de lanzamiento modernos), de la que 1/10 de esta masa corresponde a la carga útil y 2/3 a la nuclear. cargos. Si detona una carga cada 3 segundos, su suministro será suficiente para 10 días de funcionamiento continuo del sistema de propulsión nuclear. Durante este tiempo, el aparato acelerará a una velocidad de 10.000 km/s y en el futuro, después de 130 años, podrá alcanzar la estrella Alfa Centauri.

Las centrales nucleares tienen características únicas, que incluyen intensidad energética prácticamente ilimitada, independencia de funcionamiento del medio ambiente, no exposición influencias externas(radiación cósmica, daños por meteoritos, alturas y bajas temperaturas etc.). Sin embargo, la potencia máxima de las instalaciones de radioisótopos nucleares está limitada a un valor del orden de varios cientos de vatios. Esta limitación no existe para las centrales nucleares, lo que determina la rentabilidad de su uso durante vuelos de larga duración de naves espaciales pesadas en el espacio cercano a la Tierra, durante vuelos a planetas distantes del sistema solar y en otros casos.

Las ventajas de los motores de propulsión nuclear de fase sólida y otros motores de propulsión nuclear con reactores de fisión se revelan más plenamente en el estudio de tales complejos. programas espaciales, como vuelos tripulados a los planetas del sistema solar (por ejemplo, durante una expedición a Marte). En este caso, un aumento del impulso específico del propulsor permite resolver problemas cualitativamente nuevos. Todos estos problemas se alivian enormemente cuando se utiliza un motor de cohete de propulsión nuclear de fase sólida con un impulso específico dos veces mayor que el de los motores de cohete de propulsión líquida modernos. En este caso también es posible reducir significativamente los tiempos de vuelo.

Lo más probable es que en un futuro próximo los motores de propulsión nuclear de fase sólida se conviertan en uno de los motores de cohetes más comunes. Los motores de propulsión nuclear de fase sólida se pueden utilizar como dispositivos para vuelos de larga distancia, por ejemplo, a planetas como Neptuno, Plutón e incluso para volar más allá del Sistema Solar. Sin embargo, para vuelos a las estrellas, un motor de propulsión nuclear basado en principios de fisión no es adecuado. En este caso, son prometedores los motores nucleares o, más precisamente, los motores a reacción termonucleares (TRE), que funcionan según el principio de reacciones de fusión, y los motores a reacción fotónicos (PRE), cuya fuente de impulso es la reacción de aniquilación de materia y antimateria. . Sin embargo, lo más probable es que la humanidad utilice un método de transporte diferente para viajar en el espacio interestelar, distinto al jet.

En conclusión, daré una paráfrasis. frase famosa Einstein: para viajar a las estrellas, la humanidad debe idear algo que sea comparable en complejidad y percepción a un reactor nuclear para un neandertal.

LITERATURA

Fuentes:

1. "Cohetes y personas. Libro 4 Carrera lunar" - M: Znanie, 1999.
2. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
3. Pervushin “Batalla por las estrellas. Confrontación cósmica” - M: conocimiento, 1998.
4. L. Gilberg “La conquista del cielo” - M: Znanie, 1994.
5. http://epizodsspace. *****/bibl/molodtsov
6. “Motor”, “Motores nucleares para naves espaciales”, No. 5 1999

7. "Motor", "Motores nucleares de fase gaseosa para naves espaciales",

N° 6, 1999
7. http://www. *****/content/numbers/263/03.shtml
8. http://www. lpre. de/energomash/index. htm
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10., Chekalin transporte del futuro.

M.: Conocimiento, 1983.

11. , Exploración espacial de Chekalin - M.:

Conocimiento, 1988.

12. Gubanov B. “Energía - Buran” - un paso hacia el futuro // Ciencia y vida.-

13. Gatland K. Tecnología espacial - M.: Mir, 1986.

14., Sergeyuk y el comercio - M.: APN, 1989.

15.URSS en el espacio. 2005 - M.: APN, 1989.

16. De camino al espacio profundo // Energía. - 1985. - No. 6.

SOLICITUD

Principales características de los motores a reacción nucleares de fase sólida.

País natal	Motor	Empuje en el vacío, kN	impulso específico, segundo		Trabajo del proyecto, año.
	Ciclo Mixto NERVA/Lox

Un motor de cohete en el que el fluido de trabajo es una sustancia (por ejemplo, hidrógeno) calentada por la energía liberada durante una reacción nuclear o desintegración radiactiva, o directamente los productos de estas reacciones. Distinguir... ... Gran diccionario enciclopédico

Un motor de cohete en el que el fluido de trabajo es una sustancia (por ejemplo, hidrógeno) calentada por la energía liberada durante una reacción nuclear o desintegración radiactiva, o directamente los productos de estas reacciones. Ubicado en... ... Diccionario enciclopédico

motor de cohete nuclear- branduolinis raketinis variklis statusas T sritis Gynyba apibrėžtis Raketinis variklis, kuriame reaktyvinė trauka sudaroma vykstant branduolinei arba termobranduolinei reakcijai. Branduoliniams raketiniams varikliams sudaroma kur kas didesnė… … Artilerijos terminų žodynas

- (Nuclear Jet) un motor de cohete en el que se crea empuje debido a la energía liberada durante la desintegración radiactiva o una reacción nuclear. Según el tipo de reacción nuclear que ocurre en el motor nuclear, se distingue un motor de cohete radioisótopo... ...

- Motor cohete (YRD), cuya fuente de energía es el combustible nuclear. En un motor de propulsión nuclear con reactor nuclear. El calor del toro liberado como resultado de una reacción nuclear en cadena se transfiere al fluido de trabajo (por ejemplo, hidrógeno). Núcleo del reactor nuclear... ...

Este artículo debería ser wikificado. Formatéelo de acuerdo con las reglas de formato del artículo. Motor de cohete nuclear que utiliza una solución homogénea de sales de combustible nuclear (inglés... Wikipedia

El motor de cohete nuclear (NRE) es un tipo de motor de cohete que utiliza la energía de fisión o fusión de núcleos para crear un empuje a reacción. En realidad, son reactivos (calentan el fluido de trabajo en un reactor nuclear y liberan gas a través... ... Wikipedia

Un motor a reacción, cuya fuente de energía y fluido de trabajo se encuentra en el propio vehículo. El motor de cohete es el único prácticamente dominado para lanzar una carga útil a la órbita de un satélite terrestre artificial y para su uso en ... ... Wikipedia

- (RD) Un motor a reacción que utiliza para su funcionamiento únicamente sustancias y fuentes de energía disponibles en reserva en un vehículo en movimiento (avión, tierra, submarino). Por lo tanto, a diferencia de los motores a reacción (Ver... ... Gran enciclopedia soviética

Motor de cohete isotópico, un motor de cohete nuclear que utiliza la energía de desintegración de los isótopos químicos radiactivos. elementos. Esta energía sirve para calentar el fluido de trabajo, o el fluido de trabajo son los propios productos de descomposición, formando... ... Gran Diccionario Politécnico Enciclopédico

Rusia ha probado el sistema de refrigeración de una central nuclear (CN), uno de los elementos clave de una futura nave espacial que podrá realizar vuelos interplanetarios. Por qué se necesita un motor nuclear en el espacio, cómo funciona y por qué Roscosmos considera que este desarrollo es la principal baza espacial rusa, informa Izvestia.

historia del atomo

Si se lleva la mano al corazón, desde la época de Korolev los vehículos de lanzamiento utilizados para los vuelos al espacio no han sufrido ningún cambio fundamental. Principio general trabajo: el químico, basado en la combustión de combustible con un oxidante, sigue siendo el mismo. Los motores, los sistemas de control y los tipos de combustible están cambiando. La base de los viajes espaciales sigue siendo la misma: el propulsor del jet empuja el cohete o la nave espacial hacia adelante.

Es muy común escuchar que se necesita un gran avance, un desarrollo que pueda reemplazar el motor a reacción para aumentar la eficiencia y hacer más realistas los vuelos a la Luna y Marte. El hecho es que en la actualidad casi mayoría la masa de las naves espaciales interplanetarias es combustible y oxidante. ¿Qué pasa si abandonamos por completo el motor químico y empezamos a utilizar la energía de un motor nuclear?

La idea de crear un sistema de propulsión nuclear no es nueva. En la URSS, en 1958 se firmó un decreto gubernamental detallado sobre el problema de la creación de sistemas de propulsión nuclear. Ya entonces se realizaron estudios que demostraron que, utilizando un motor de cohete nuclear de suficiente potencia, se puede llegar a Plutón (que aún no ha perdido su estatus planetario) y regresar en seis meses (dos ida y cuatro atrás), gastando 75 toneladas de combustible en el viaje.

La URSS estaba desarrollando un motor de cohete nuclear, pero los científicos recién ahora han comenzado a acercarse a un prototipo real. No se trata de dinero, el tema resultó ser tan complejo que ni un solo país ha podido crear un prototipo funcional y, en la mayoría de los casos, todo terminó en planos y dibujos. Estados Unidos probó un sistema de propulsión para un vuelo a Marte en enero de 1965. Pero el proyecto de NERVA de conquistar Marte utilizando un motor nuclear no fue más allá de las pruebas de KIWI y fue mucho más simple que el actual desarrollo ruso. China ha fijado en sus planes de desarrollo espacial la creación de un motor nuclear más cerca de 2045, lo que tampoco es muy pronto.

En Rusia, en 2010 comenzó una nueva ronda de trabajo sobre el proyecto de sistema de propulsión eléctrica nuclear (NPP) de clase megavatio para sistemas de transporte espacial. El proyecto fue creado conjuntamente por Roscosmos y Rosatom y puede considerarse uno de los proyectos espaciales más serios y ambiciosos de los últimos tiempos. El contratista principal de ingeniería de energía nuclear es centro de investigacion a ellos. MV Kéldysh.

movimiento nuclear

A lo largo del desarrollo, se filtran noticias a la prensa sobre la preparación de una u otra parte del futuro motor nuclear. Al mismo tiempo, en general, excepto los especialistas, pocas personas imaginan cómo y por qué funcionará. En realidad, la esencia de un motor nuclear espacial es aproximadamente la misma que la de la Tierra. La energía de la reacción nuclear se utiliza para calentar y hacer funcionar el turbogenerador-compresor. En pocas palabras, se utiliza una reacción nuclear para producir electricidad, casi exactamente igual que en una central nuclear convencional. Y con la ayuda de la electricidad, funcionan los motores de cohetes eléctricos. En esta instalación se trata de motores de iones de alta potencia.

En los motores de iones, el empuje se crea creando un empuje a reacción basado en gas ionizado acelerado a altas velocidades en un campo eléctrico. Los motores de iones todavía existen y se están probando en el espacio. Hasta ahora sólo tienen un problema: casi todos tienen muy poco empuje, aunque consumen muy poco combustible. Para los viajes espaciales, estos motores son una excelente opción, especialmente si se resuelve el problema de generar electricidad en el espacio, que es lo que hará una instalación nuclear. Además, los motores de iones pueden funcionar durante bastante tiempo; el período máximo de funcionamiento continuo de los modelos más modernos de motores de iones es de más de tres años.

Si observa el diagrama, notará que la energía nuclear no comienza su trabajo útil de inmediato. Primero, el intercambiador de calor se calienta y luego se genera electricidad, que ya se utiliza para generar empuje para el motor de iones. Lamentablemente, la humanidad aún no ha aprendido a utilizar las instalaciones nucleares para la propulsión de una manera más sencilla y eficiente.

En la URSS, se lanzaron satélites con una instalación nuclear como parte del complejo de designación de objetivos Legend para aviones navales portadores de misiles, pero se trataba de reactores muy pequeños y su trabajo solo era suficiente para generar electricidad para los instrumentos colgados en el satélite. Las naves espaciales soviéticas tenían una potencia de instalación de tres kilovatios, pero ahora los especialistas rusos están trabajando en la creación de una instalación con una potencia de más de un megavatio.

Problemas a escala cósmica

Naturalmente, una instalación nuclear en el espacio tiene muchos más problemas que en la Tierra, y el más importante de ellos es el enfriamiento. En condiciones normales, para ello se utiliza agua, que absorbe el calor del motor de forma muy eficaz. Esto no se puede hacer en el espacio y los motores nucleares requieren sistema eficiente enfriamiento, y el calor de ellos debe eliminarse al espacio exterior, es decir, esto solo puede hacerse en forma de radiación. Normalmente, para este propósito, las naves espaciales utilizan radiadores de panel, hechos de metal, por los que circula un líquido refrigerante. Por desgracia, estos radiadores suelen tener un gran peso y dimensiones y, además, no están protegidos de ninguna manera contra los meteoritos.

En agosto de 2015, en la feria aeronáutica MAKS, se mostró un modelo de enfriamiento por caída de sistemas de propulsión de energía nuclear. En él, el líquido disperso en forma de gotas vuela al espacio abierto, se enfría y luego se vuelve a ensamblar en la instalación. Imagínense una enorme nave espacial, en cuyo centro hay una ducha gigante, de la que brotan miles de millones de gotas microscópicas de agua, vuelan por el espacio y luego son absorbidas por la enorme boca de una aspiradora espacial.

Recientemente se supo que sistema de goteo Se probó el enfriamiento de un sistema de propulsión nuclear en condiciones terrestres. Al mismo tiempo, el sistema de refrigeración es la etapa más importante en la creación de la instalación.

Ahora se trata de probar su rendimiento en condiciones de gravedad cero, y sólo después podremos intentar crear un sistema de refrigeración de las dimensiones necesarias para su instalación. Cada una de estas pruebas exitosas acerca a los especialistas rusos un poco más a la creación de una instalación nuclear. Los científicos se apresuran con todas sus fuerzas porque se cree que el lanzamiento de un motor nuclear al espacio ayudará a Rusia a recuperar su posición de liderazgo en el espacio.

Era espacial nuclear

Digamos que esto tiene éxito y en unos años un motor nuclear comenzará a funcionar en el espacio. ¿Cómo ayudará esto? ¿Cómo se puede utilizar? Para empezar, conviene aclarar que, tal como existe hoy en día, el sistema de propulsión nuclear sólo puede funcionar en el espacio exterior. No hay manera de que pueda despegar de la Tierra y aterrizar de esta forma; por ahora no puede prescindir de los tradicionales cohetes químicos.

¿Por qué en el espacio? Bueno, la humanidad vuela rápidamente a Marte y a la Luna, ¿y eso es todo? No precisamente. Actualmente, todos los proyectos de plantas y fábricas orbitales que operan en la órbita terrestre están estancados por falta de materias primas para el trabajo. No tiene sentido construir nada en el espacio hasta que se encuentre la manera de poner en órbita grandes cantidades de las materias primas necesarias, como minerales metálicos.

Pero, ¿por qué levantarlos desde la Tierra si, por el contrario, puedes traerlos desde el espacio? En el mismo cinturón de asteroides sistema solar simplemente hay enormes reservas varios metales, incluidos los preciosos. Y en este caso, la creación de un remolcador nuclear será simplemente una salvación.

Ponga en órbita un enorme asteroide que contenga platino u oro y comience a cortarlo en pedazos en el espacio. Según los expertos, esta producción, teniendo en cuenta el volumen, puede resultar una de las más rentables.

¿Existe un uso menos fantástico para un remolcador nuclear? Por ejemplo, se puede utilizar para transportar satélites en las órbitas requeridas o llevar naves espaciales al punto deseado en el espacio, por ejemplo, a la órbita lunar. Actualmente se utilizan para ello etapas superiores, por ejemplo la Fregata Rusa. Son caros, complejos y desechables. Un remolcador nuclear podrá recogerlos en la órbita terrestre baja y entregarlos donde sea necesario.

Lo mismo ocurre con los viajes interplanetarios. Sin manera rápida Simplemente no hay posibilidad de llevar carga y personas a la órbita de Marte para comenzar la colonización. La actual generación de vehículos de lanzamiento lo hará a un coste muy elevado y durante mucho tiempo. Hasta ahora, la duración del vuelo sigue siendo uno de los más problemas serios al volar a otros planetas. Sobrevivir a meses de viaje a Marte y de regreso en una cápsula espacial cerrada no es una tarea fácil. Un remolcador nuclear también puede ayudar en este caso, reduciendo significativamente este tiempo.

Necesario y suficiente

Actualmente todo esto parece ciencia ficción, pero, según los científicos, solo faltan unos pocos años para probar el prototipo. Lo principal que se requiere no sólo es completar el desarrollo, sino también mantener el nivel requerido de astronáutica en el país. Incluso con una caída de la financiación, los cohetes deben seguir despegando, las naves espaciales se construyen y los especialistas más valiosos deben seguir trabajando.

De lo contrario, un motor nuclear sin la infraestructura adecuada no ayudará a lograr la máxima eficiencia; será muy importante desarrollarlo no sólo para venderlo, sino también para usarlo de forma independiente, mostrando todas las capacidades del nuevo vehículo espacial.

Mientras tanto, todos los residentes del país que no están atados al trabajo sólo pueden mirar al cielo y esperar que todo salga bien para la cosmonáutica rusa. Y un remolcador nuclear y la preservación de las capacidades actuales. No quiero creer en otros resultados.

Se podría comenzar este artículo con un pasaje tradicional sobre cómo los escritores de ciencia ficción proponen ideas audaces y los científicos luego las dan vida. Puedes, pero no quieres escribir con sellos. Es mejor recordar que los motores de cohetes modernos, tanto de propulsor sólido como líquido, tienen características más que insatisfactorias para vuelos a distancias relativamente largas. Le permiten lanzar carga a la órbita terrestre y entregar algo a la Luna, aunque ese vuelo es más caro. Pero volar a Marte con estos motores ya no es fácil. Deles combustible y oxidante en las cantidades requeridas. Y estos volúmenes son directamente proporcionales a la distancia que se debe superar.

Una alternativa a los motores de cohetes químicos tradicionales son los motores eléctricos, de plasma y nucleares. De todos los motores alternativos, solo un sistema ha alcanzado la etapa de desarrollo de motor: el nuclear (Nuclear Reaction Engine). En la Unión Soviética y Estados Unidos, el trabajo sobre la creación de motores de cohetes nucleares comenzó en los años 50 del siglo pasado. Los estadounidenses estaban trabajando en ambas opciones para dicha central eléctrica: reactiva y pulsada. El primer concepto consiste en calentar el fluido de trabajo mediante un reactor nuclear y luego liberarlo a través de boquillas. El motor de propulsión nuclear por impulsos, a su vez, impulsa la nave espacial mediante sucesivas explosiones de pequeñas cantidades de combustible nuclear.

También en Estados Unidos se inventó el proyecto Orion, que combina ambas versiones del motor de propulsión nuclear. Esto se hizo de la siguiente manera: desde la cola del barco se expulsaron pequeñas cargas nucleares con una capacidad de aproximadamente 100 toneladas de TNT. Tras ellos se dispararon discos de metal. A cierta distancia del barco, se detonó la carga, el disco se evaporó y la sustancia se dispersó en diferentes direcciones. Una parte cayó en la sección de cola reforzada del barco y lo hizo avanzar. Un pequeño aumento en el empuje debería haber sido proporcionado por la evaporación de la placa que recibió los golpes. El coste unitario de un vuelo de este tipo debería haber sido de sólo 150 dólares por kilogramo de carga útil.

Incluso se llegó a realizar pruebas: la experiencia ha demostrado que es posible el movimiento mediante impulsos sucesivos, así como la creación de una placa de popa de suficiente resistencia. Pero el proyecto Orión se cerró en 1965 por considerarlo poco prometedor. Sin embargo, este es hasta ahora el único concepto existente que puede permitir expediciones al menos a través del sistema solar.

Sólo se pudo llegar a la construcción de un prototipo con un motor cohete de propulsión nuclear. Se trataba del RD-0410 soviético y el NERVA estadounidense. Trabajaron según el mismo principio: en un reactor nuclear "convencional", se calienta el fluido de trabajo que, cuando se expulsa por las boquillas, genera empuje. El fluido de trabajo de ambos motores era hidrógeno líquido, pero el soviético utilizaba heptano como sustancia auxiliar.

El empuje del RD-0410 era de 3,5 toneladas, NERVA daba casi 34, pero también tenía grandes dimensiones: 43,7 metros de longitud y 10,5 de diámetro frente a 3,5 y 1,6 metros, respectivamente, del motor soviético. Al mismo tiempo, el motor estadounidense era tres veces inferior al soviético en términos de recursos: el RD-0410 podía funcionar durante una hora.

Sin embargo, ambos motores, a pesar de su promesa, también permanecieron en la Tierra y no volaron a ninguna parte. El principal motivo del cierre de ambos proyectos (NERVA a mediados de los 70, RD-0410 en 1985) fue el dinero. Las características de los motores químicos son peores que las de los nucleares, pero el costo de un lanzamiento de un barco con un motor de propulsión nuclear con la misma carga útil puede ser de 8 a 12 veces mayor que el lanzamiento de la misma Soyuz con un motor de propulsor líquido. . Y esto ni siquiera tiene en cuenta todos los costes necesarios para llevar los motores nucleares al punto de ser aptos para su uso práctico.

El desmantelamiento de transbordadores “baratos” y la reciente falta de avances revolucionarios en la tecnología espacial requieren nuevas soluciones. En abril de este año, el entonces director de Roscosmos, A. Perminov, anunció su intención de desarrollar y poner en funcionamiento un sistema de propulsión nuclear completamente nuevo. Esto es precisamente lo que, en opinión de Roscosmos, debería mejorar radicalmente la “situación” en todo el mundo de la cosmonáutica. Ahora ha quedado claro quiénes deberían convertirse en los próximos revolucionarios de la astronáutica: el desarrollo de los motores de propulsión nuclear lo llevará a cabo la Empresa Unitaria Estatal Federal del Centro Keldysh. gerente general La empresa A. Koroteev ya ha complacido al público con el hecho de que el diseño preliminar de la nave espacial para el nuevo motor de propulsión nuclear estará listo el próximo año. El diseño del motor debería estar listo en 2019, y las pruebas están previstas para 2025.

El complejo se llamó TEM - módulo de transporte y energía. Llevará un reactor nuclear refrigerado por gas. El sistema de propulsión directa aún no está decidido: o será un motor a reacción como el RD-0410 o un motor cohete eléctrico (ERE). Sin embargo, este último tipo aún no se ha utilizado ampliamente en ningún lugar del mundo: sólo tres naves espaciales estaban equipadas con ellos. Pero el hecho de que el reactor pueda alimentar no sólo el motor, sino también muchas otras unidades, o incluso utilizar todo el TEM como central eléctrica espacial, habla a favor del motor de propulsión eléctrica.